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Title in Portuguese: Análise comparativa do metaboloma e proteoma de folhas de milho na aclimatação à salinidade induzida pelo pré-tratamento com H2O2
Title: Comparative metabolome and proteome analyses of maize leaves in acclimation to salinity induced by H2O2 priming
Author: Araújo, Gyedre dos Santos
Advisor(s): Filho, Enéas Gomes
Co-advisor(s): Marques, Elton Camelo
Keywords: Estresse salino
Fotossíntese
Metabolismo
Ultraestrutura de cloroplastos
Fluorescência da clorofila
Zea Mays
Issue Date: 2021
Citation: ARAÚJO, Gyedre dos Santos. Análise comparativa do metaboloma e proteoma de folhas de milho na aclimatação à salinidade induzida pelo pré-tratamento com H2O2. 2021. 99 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Abstract in Portuguese: A salinidade é um dos principais fatores limitantes à produtividade das culturas agrícolas, pois restringe o crescimento e desenvolvimento vegetal, afetando quase todas as características fisiológicas, morfológicas, bioquímicas e moleculares das plantas. Assim, a aclimatação ao estresse salino é essencial para sobrevivência e reprodução nessa condição adversa. O uso de pré-tratamento foliar com peróxido de hidrogênio (H2O2) em baixa concentrações pode atenuar os efeitos deletérios do estresse salino e com isso contribuir para aclimatação de plantas à tais condições. Entretanto, os mecanismos envolvidos na eficiência fotossintética, bem como a regulação de metabólitos e proteínas em plantas de milho pré-tratadas com H2O2 submetidas à salinidade não estão totalmente esclarecidos. Este estudo foi desenvolvido para testar a hipótese de que o uso do pré-tratamento com H2O2 mitiga os efeitos prejudiciais da salinidade na maquinaria fotossintética por afetar positivamente a modulação de metabólitos e proteínas envolvidas com a tolerância ao sal. Para isso, foram realizados dois experimentos com plantas de milho do genótipo BR 5011, considerado sensível à salinidade, pré-tratadas com solução de 10 mM de H2O2 e, então, estressadas com 80 mM de NaCl, sob condições de casa de vegetação. No primeiro experimento; que objetivou analisar a eficiência fotossintética, integridade estrutural dos cloroplastos e regulação dos metabólitos das plantas de milho; foi observado que a salinidade afetou drasticamente os parâmetros de trocas gasosas, da eficiência quântica máxima (Fv/Fm) do fotossistema II e os teores de clorofila b e total. Além disso, o estresse com NaCl aumentou os teores de espécies reativas de oxigênio (H2O2 e ·O2-), ocasionou danos estruturais nos cloroplastos e promoveu perturbações no conjunto de metabólitos das plantas de milho, quando comparadas às condições de controle. No entanto, nossos resultados sugerem que plantas pré-tratadas com H2O2 melhoraram o desempenho fotossintético por evitar o excesso de energia induzida pela salinidade, induzindo assim acréscimos nos valores de Fv/Fm, quenching não-fotoquímico (NPQ) e taxa de transporte de elétrons (ETR), bem como apresentaram manutenção do empilhamento dos tilacóides, redução nos teores de H2O2 e ·O2- e modulação positiva de metabólitos, principalmente açúcares e aminoácidos, que contribuíram para a manutenção do equilíbrio osmótico e redução do estresse oxidativo. O segundo experimento teve como objetivo principal relacionar as análises de crescimento e o acúmulo de íons (Na+ e K+) com as alterações no perfil proteômico de plantas de milho. Nessa ocasião, o estresse salino imposto afetou significativamente os parâmetros de crescimento, bem como aumentou a relação Na+/K+ nas folhas e promoveu alterações negativas no proteoma foliar. Em contraste, o uso do pré-tratamento com H2O2 influenciou positivamente na aparência fenotípica nas plantas sob salinidade, confirmada pela melhora das análises de crescimento e redução dos teores de íons Na+ nas folhas. Adicionalmente, houve regulação de importantes proteínas que participam de vias metabólicas relacionadas à tolerância ao estresse salino. No geral, essas observações revelam que o pré-tratamento com H2O2 ativa mecanismos envolvidos na modulação positiva de importantes metabólitos e proteínas, que alivia os efeitos prejudiciais da salinidade na maquinara fotossintética de plantas de milho e aumenta a tolerância ao estresse salino.
Abstract: Salinity is one of the major limiting factors crop productivity, it restricts plant growth and development, affecting almost all physiological, morphological, biochemical and molecular characteristics of plants. Thus, acclimation to salt stress is essential for survival and reproduction under this adverse condition. The use of hydrogen peroxide (H2O2) foliar pretreatment at low concentrations can attenuate the deleterious effects of salt stress and thus contribute to plant acclimation to such conditions. However, the mechanisms involved in the photosynthetic efficiency and the metabolites and proteins regulation of H2O2 pretreated maize plants under salinity are not fully understood. This study was designed in order to test the hypothesis that the use of H2O2 pretreatment mitigates the harmful effects of salinity on photosynthetic machinery by positively affecting the modulation of metabolites and proteins involved with salt tolerance. Therefore, two experiments were conducted with maize plants of genotype BR 5011, considered sensitive to salinity, pretreated with 10 mM H2O2 and then stressed with 80 mM NaCl under greenhouse conditions. In the first experiment; which aimed to analyze the photosynthetic efficiency, the structural integrity of chloroplasts and metabolites regulation of maize plants; was observed that salinity drastically affected the gas exchange parameters, maximum quantum efficiency (Fv/Fm) of photosystem II and chlorophyll b and total contents. In addition, NaCl-stress increased the reactive oxygen species (H2O2 and ·O2-) contents, caused structural damage to chloroplasts and promoted disturbances in the metabolite set of maize plants when compared to control conditions. However, our results suggest that H2O2-pretreated plants improve photosynthetic performance by avoiding salinity-induced excess energy, thus inducing increases in Fv/Fm, non-photochemical quenching (NPQ) and electron transport rate (ETR) values. In parallel, there was maintenance of thylakoids stacking, reduction in H2O2 and ·O2- contents and positive modulation of metabolites, mainly sugars and amino acids, which contributed to the maintenance of osmotic balance and reduction of oxidative stress. The second experiment aimed to relate growth analysis and ion accumulation (Na+ and K+) with changes in the proteomic profiling of maize plants. The imposed salt stress significantly affected the growth parameters, as well as increased the Na+/K+ ratio in leaves and promoted negative alterations in leaf proteome. In contrast, the use of H2O2 pretreatment positively influenced the phenotypic appearance in plants under salinity, confirmed by improved growth analyzes and reduced Na+ ion foliar contents. Additionally, there was regulation of important proteins that participate in metabolic pathways related to salt stress tolerance. In conclusion, these observations reveal that H2O2 pretreatment activates mechanisms involved in the positive modulation of crucial metabolites and proteins, which alleviates the harmful effects of salinity on photosynthetic machinery of the maize plants and increases the tolerance to salt stress
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/57077
metadata.dc.type: Tese
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